和面過程中面絮水分遷移及麥谷蛋白聚集特性的研究

李杏君,鄭學玲,李利民,李 力

河南工業大學 糧油食品學院, 河南 鄭州 450001

面絮顆粒由和面過程產生,是通過小麥粉與適量水攪拌形成的具有黏彈性和延展性的面團坯粒,面絮品質是面條質量研究中的重要內容[1]。通過提高面絮的水分分布均勻性和改變面絮顆粒狀態,可以得到水分均勻、顆粒松散、粒度一致的理想面絮,從而改善面條品質,研究和面過程中的面絮水分遷移規律和谷蛋白聚集特性是建立面絮品質科學評價方法的關鍵。

目前,對面條制作品質的研究主要集中于壓延工序產生的面片理化特性和成品面條品質[2-3],以及和面條件對面條品質的影響,如和面時間、真空度等[4-5],而對和面工序產生的面絮特性變化研究較少。

面絮顆粒是粒徑不均勻的松散結構單元,和面過程中的攪拌操作會對不同粒徑面絮的性質產生影響[6-8]。攪拌影響面絮的結構和水分分布,攪拌速率影響水與小麥粉的接觸及結合程度,進而影響水化作用[9-10];此外,攪拌帶來的氧化效應導致了麥谷蛋白聚合物的解聚和重排。麥谷蛋白大聚體(glutenin macropolymer,GMP)是面團的主干結構,攪拌會影響面筋網絡結構的形成[11-14]。目前,尚不清楚攪拌對各粒級面絮的GMP的影響。

因此,本研究先測定制作面條時不同和面時間下不同粒級面絮的含量與水分含量,然后將GMP作為面絮骨架結構的主要表征指標,對和面過程中的GMP含量及分布進行分析,研究不同和面時間對面絮GMP聚集特性的影響,以期為和面過程的效果評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

面粉:青島福加德面粉有限公司;食用鹽:雪天鹽業集團股份有限公司;純凈水:杭州娃哈哈集團有限公司。

十二烷基硫酸鈉(SDS)為分析純;磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、乙腈、三氟乙酸均為色譜純。

1.2 儀器與設備

HWH-3森匯臥式和面機:浙江瑞安有限公司;T42-D恒溫振蕩器:蘇州培英搖床研究中心;FOSS Kjieltec 8400凱氏定氮儀:丹麥FOSS儀器有限公司;BT9300-H激光粒度分析儀:丹東百特儀器有限公司;N300超聲細胞破碎儀:上海生析超聲儀器有限公司;LXJ-IIB低速臺式離心機:上海安亭科學儀器廠;Avanti J-E高速離心機:貝克曼庫爾特商貿(中國)有限公司;Agilent 1200高效液相色譜系統、Bio SEC-5色譜柱(4.6 mm×300 mm,50 nm):美國安捷倫科技公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 面絮制作方法

參照LS/T 3202《面條用小麥粉》中面條制作方法,稱取面粉2 500 g置于臥式和面機中進行和面,按面粉質量的33%加水(825 g)、1%加食用鹽(25 g)。和面結束后,得到未熟化面絮。和面時間分別為3、6、9、12、15、18 min。

1.3.2 面絮分析方法

1.3.2.1 面絮粒度分級

將未熟化面絮進行粒徑分級,具體操作方法如下:完成和面后停機開蓋,取面絮300～400 g,取樣點為和面缸的四角和中心各5點。依次用孔徑為12.5 mm(2目)、8.5 mm(3目)、5.0 mm(4目)、3.2 mm(6目)、2.5 mm(8目)、0.45 mm(40目)的標準分樣篩篩分,篩分時間為3 min,經篩分后得到6種不同粒徑的面絮,并分別稱質量,計算不同粒徑坯粒質量占面絮坯粒總質量的百分比。每個樣品進行3次平行試驗,取平均值。

1.3.2.2 水分含量的測定

測定各粒徑面絮的水分含量,測定方法參照GB 50093—2010。

1.3.2.3 GMP含量測定及粒度分布分析

樣品預處理:將各粒徑面絮進行冷凍干燥處理,然后用研缽研磨后過100目篩,收集篩下物得各粒徑面絮凍干粉,保存備用。

GMP含量的測定:參考Don等[15]的方法并稍做修改。準確稱取各粒徑的面絮凍干粉 (1.500±0.005) g置于50 mL離心管中,加入30 mL 1.5 mol/L SDS溶液在恒溫振蕩器(25 ℃,300 r/min)中振蕩1 h,然后以5 000 r/min離心30 min,棄上清液,將沉淀用1.5 mol/L SDS溶液重復提取2次。將沉淀冷凍干燥后采用凱氏定氮法測其蛋白質含量作為GMP的近似含量。

GMP粒度分布分析:參照Don等[15]、Feng等[16]的方法,略作修改。稱取各粒徑面絮凍干粉(1.500±0.005) g置于50 mL離心管中,加入30 mL 1.5 mol/L SDS溶液在恒溫振蕩水浴鍋(25 ℃,300 r/min)中振蕩1 h,然后離心(15 000g,30 min),棄上清液。用不銹鋼針挑取約1 g上層蛋白質凝膠轉移到10 mL離心管中,加入5 mL 1.5 mol/L SDS溶液,混勻。采用BT9300-H激光粒度分析儀分析。

1.3.2.4 面絮中蛋白分子量分布的測定

參考Hou等[17]的方法,略作修改。準確稱取10.0 mg面絮凍干粉,加入1 mL 0.05 mol/L 磷酸鹽緩沖液(pH 6.9),將懸浮液30 ℃恒溫振蕩30 min后離心(10 000g,15 min),吸取上清液,即為SDS可溶性蛋白(extractable proteins,EP);向上述沉淀中加入1 mL 0.05 mol/L 磷酸鹽緩沖液(pH 6.9),使沉淀重懸,超聲提取1 min,離心取上清液,得到SDS不溶性蛋白(unextractable proteins,UP)。每個樣品重復提取2次。采用高效液相色譜儀室溫下對SDS可溶性蛋白(EP)和SDS不溶性蛋白(UP)中不同分子量蛋白組分進行分離。分析上樣前,用0.45 μm聚偏二氟乙烯(PVDF)濾膜分別對EP和UP溶液進行過濾,裝入樣品分析瓶。色譜條件參數設置如下:上樣量10 μL;流動相A為含0.05%三氟乙酸的超純水溶液,流動相B為含0.05%三氟乙酸的乙腈溶液,分離過程50%流動相A+50%流動相B;流速0.35 mL/min;檢測波長214 nm;樣品測定時間15 min,每個組分重復上樣測定2次。參照Wang等[18]分類及命名方法,根據洗脫蛋白的分子量,將色譜圖分為4個部分,采用Agilent ChemStation software計算吸收峰面積和面積百分比。

1.4 數據統計與分析

對試驗中得到的各項指標數據采用SPSS 20.0進行單因素方差分析(ANOVA)和顯著性差異檢驗(Duncan,P<0.05),所有的圖像分析均采用Origin 8.5進行處理。

2 結果與分析

2.1 面絮粒徑分布的變化規律

不同和面時間下所得到的面絮粒級分布狀況如圖1所示。結果表明,不同和面時間下各粒級面絮的質量分布存在明顯差異(P<0.05)。總的來說,面絮粒徑在0～12.5 mm范圍內變化,各粒級面絮的質量分數順序為大顆粒(>8.5 mm)>中顆粒(2.5～8.5 mm)>小顆粒(<2.5 mm)。隨著和面時間的增加,面絮顆粒由小顆粒、中顆粒向大顆粒轉變。和面初期(和面時間為3 min)得到的小顆粒面絮(<2.5 mm)質量分布顯著高于其他和面時間下所獲得該粒級的質量分布(P<0.05),而大顆粒面絮(>8.5 mm)的質量分布顯著低于其他和面時間下所獲得該粒級的質量分布;和面時間從3 min增加到15 min,大顆粒、中顆粒面絮的質量分布顯著增加;和面時間為18 min時,得到的大顆粒面絮的質量分布顯著降低。說明和面過程中和面時間的變化對面絮顆粒產生不穩定效應,改變了面絮顆粒的分布:較短的和面時間,面絮所受的攪拌揉混作用力小,較難形成大顆粒面絮,因此小顆粒面絮質量分數顯著高于其他和面時間下的小顆粒面絮含量;和面時間增加,面絮經歷揉混的次數和作用應力增加,面絮顆粒團聚而具有更大的粒徑;過度攪拌會使大顆粒面絮分散[19]。

圖1 不同和面時間下各粒級面絮的質量分數與平均粒徑Fig.1 Mass distribution and average particle size of noodle dough at different mixing times

平均質量直徑與幾何平均直徑是反映團聚體大小分布的指標,其值越大說明面絮顆粒中大粒徑顆粒越多。和面時間3～15 min,平均質量直徑與幾何平均直徑呈升高趨勢,隨后18 min時顯著下降。綜合面絮粒徑分布結果,在和面時間3 min時,小顆粒面絮含量為27%左右,為和面過程的揉混作用提供了大量的可遷移物質。由于面絮的平均質量直徑均比幾何平均直徑大,可以判斷面絮在和面過程中具有較疏松的孔隙結構,容易受到攪拌槳葉的作用而被分散,或者小顆粒面絮容易被揉混入大顆粒面絮當中。因此在和面時間逐漸增加至15 min的過程中,平均質量直徑與幾何平均直徑均增加,但增加速率有所減緩。當和面時間從15 min增至18 min時,平均質量直徑與幾何平均直徑顯著下降,大顆粒面絮是平均質量直徑與幾何平均直徑下降的主要粒級,說明在和面后期,大顆粒面絮受攪拌分散作用較大。

2.2 面絮水分分布與遷移規律

由圖2可知,面絮顆粒粒徑越大水分含量越高。和面過程中,不同粒徑的面絮顆粒水分含量增減程度不一,小顆粒面絮和中顆粒面絮水分含量變化最為明顯,大顆粒面絮水分含量增減程度不顯著。隨著和面時間的增加,中顆粒與小顆粒面絮的水分含量增加,中顆粒面絮先達到水分含量峰值,小顆粒面絮之后也達到水分含量峰值;大顆粒面絮中水分含量表現出先減少后增大的趨勢,但與小顆粒面絮和中顆粒面絮相比,增減程度不明顯。說明小顆粒與中顆粒面絮中水分的分布更容易受和面時間的影響。

圖2 不同和面時間下各粒級面絮的水分含量Fig.2 Moisture content of each grain level of noodle dough at different mixing times

攪拌過程中,水分與不同組分發生物理化學變化,影響水分的擴散、滲透和傳輸,也影響水分在不同面團體系內外兩側的遷移[20]。攪拌槳葉所提供的機械作用力不斷增加液/固界面,對形成的面筋具有拉伸揉混作用,更容易形成大的面絮顆粒[21]。對比不同和面時間下同一粒級面絮顆粒的水分遷移發現,和面時間從3 min到6 min,大顆粒面絮水分含量呈減少趨勢,這可能是由于大顆粒面絮的初始水分含量較高,在較短的和面時間內面筋蛋白即完成吸水,隨著攪拌發生破裂,形成小體積聚集體,水分從大顆粒面絮遷移到更小的面絮顆粒;中顆粒和小顆粒面絮的水分含量無顯著變化,說明仍處于潤濕階段。隨著和面時間的增加,各粒徑面絮中水分含量逐漸增加。在和面時間為15～18 min時,各粒徑面絮的水分含量基本保持不變,即各粒級面絮的水分分布達到穩定。

2.3 面絮蛋白特性的變化

2.3.1 面絮GMP含量

GMP是面團中面筋網絡結構的重要成分,影響面團的黏彈性等理化性質[22]。在和面過程中會導致面絮顆粒度降低,GMP含量降低[23]。由圖3可知,不同和面時間下面絮的GMP含量存在明顯差異(P<0.05)。具體而言,和面時間為3 min,大顆粒面絮中GMP含量高于中顆粒與小顆粒面絮的GMP含量。說明在和面的初始階段,大顆粒面絮具有更高聚集程度的面筋網絡結構。和面時間從3 min到12 min,中顆粒面絮與小顆粒面絮的GMP含量呈逐漸增加趨勢,而大顆粒面絮的GMP含量呈現先降低后緩慢增加的趨勢。和面時間在15～18 min時,GMP含量降低,這一現象與Gómez等[24]、 Liu等[23]的研究結果一致。過度攪拌會導致GMP進一步解聚。

圖3 不同和面時間下各粒級面絮的GMP含量Fig.3 GMP content of each grain level of noodle dough at different mixing times

通過對GMP含量的分布與水分分布規律進一步分析發現,對于中顆粒和小顆粒面絮,其水分含量增加,GMP含量增加;對于大顆粒面絮,和面時間從3 min增至6 min時,水分含量減少,其GMP含量顯著降低。這可能是由于大顆粒面絮比中、小顆粒面絮的面筋水化程度更高,隨著和面時間的增加,加速了中、小顆粒面絮中的水分遷移與GMP團聚。大顆粒面絮水分含量減少的程度低于中、小顆粒面絮增加的程度,大顆粒面絮的形成是面粉與水接觸時形成面筋膜,進而包裹面粉形成大的堆積結構,這些先形成的面筋膜是導致大顆粒面絮GMP含量在和面初始階段減少的原因;而這些先形成的面筋膜阻止水向其他沒有接觸水的面粉浸透,而機械攪拌使大顆粒面絮結構破裂,GMP發生較小程度解聚。Jia等[19]的研究結果可以較好地解釋這一現象,和面過程中面粉與水通過攪拌形成面絮,面筋網絡團聚與解聚同時發生,在面筋水化程度較低時,面筋網絡受機械作用被破壞占主導。與面團相比,大顆粒面絮仍處于面筋水化程度較低的狀態,更容易受機械作用而發生GMP解聚。

2.3.2 GMP粒度分析

GMP以顆粒形式存在,GMP粒度的不一致性會對面團及其制品品質產生影響[25]。攪拌操作改變了各粒徑范圍內GMP顆粒的大小與形態[16]。

由圖4(a)、4(b)可知,和面時間為3 min時,大顆粒面絮的中位徑(D50)與體積平均徑均為最大值,說明3 min和面時間可促進大顆粒面絮中GMP粒度的增大。和面時間為6 min時,大顆粒面絮的中位徑與體積平均徑降低。與中顆粒面絮相比,大顆粒面絮更容易受到攪拌槳葉的揉混作用而分散,因而體積平均徑隨和面時間的增加而降低,大顆粒面絮GMP逐漸解聚,直到形成中顆粒面絮。隨著和面時間的增加,大顆粒面絮的中位徑與體積平均徑無顯著變化。當和面時間增至18 min時,大顆粒面絮的體積平均徑顯著降低,表明增加和面時間可降低大顆粒GMP的團聚。對于中顆粒面絮與小顆粒面絮,隨著和面時間的增加,中位徑與體積平均徑逐漸增加,18 min時其略有下降。

注:(a)中位徑;(b)體積平均徑;(c)面積平均徑 ;(d)長度平均徑。圖4 不同和面時間下面絮的GMP粒度Fig.4 GMP granularity of noodle dough at different mixing times

由圖4(c)、4(d)可知,隨著和面時間增加,中顆粒與小顆粒面絮面積平均徑與長度平均徑呈逐漸增加趨勢,和面時間增至18 min時平均徑顯著降低;大顆粒面絮GMP面積平均徑與長度平均徑變化規律與中位徑一致。在和面時間為9 min時,各粒徑面絮的GMP長度平均徑基本一致。GMP長度平均徑顯著低于對應粒徑的面積平均徑,根據平均徑的物理意義,大粒子對面積平均徑的貢獻大于長度平均徑,可推測出面絮GMP顆粒大小分布不均勻,大顆粒含量高,說明和面時間的增加促進GMP顆粒的形成。

2.3.3 面絮蛋白分子量

如圖5所示,面絮樣品中蛋白質的排阻高效液相色譜圖分成了4個部分:大分子量聚合體蛋白(large polymeric protein,LPP)(6.0～7.5 min)和小分子量聚合體蛋白(small polymeric protein,SPP)(7.5～10.8 min),主要為谷蛋白;大分子量單體蛋白(large monomeric protein,LMP)(10.8～13.2 min),主要為醇溶蛋白;小分子量單體蛋白(small monomeric protein,SMP)(>13.2 min),主要為清蛋白和球蛋白。

圖5 面絮蛋白質排阻高效液相色譜圖Fig.5 Size-exclusion HPLC chromatogram of proteins in noodle dough

如表1所示,對于大顆粒面絮,和面時間為3～6 min,聚合體蛋白減少,小分子量單體蛋白比例增多,蛋白質分子量分布降低。隨著和面時間的增加,蛋白質聚合度增加,相對分子量增加,同時GMP含量增加,粒度增大。和面時間增至18 min時,蛋白質聚合程度顯著降低,分子量分布變小,此時GMP含量下降,粒徑分布變小,游離巰基含量增加。

表1 不同和面時間下面絮蛋白質組分的變化Table 1 Change in protein composition of noodle dough at different mixing times

對于中顆粒、小顆粒面絮,和面初始階段(0～3 min)蛋白質分子量分布無顯著變化;隨著和面時間增加,單體蛋白減少,聚合體蛋白比例增加,GMP含量逐漸增加,粒度分布增加,蛋白質分子量分布增加;過度和面(和面時間為18 min),蛋白質聚合度降低,分子量降低。

3 結論

和面是面條生產的重要環節,不同的和面進程使面絮的狀態發生了復雜的變化,本研究通過對不同和面時間的面絮顆粒理化性質進行分析發現:隨著和面時間的增加,面絮顆粒由小顆粒向中顆粒、大顆粒轉變;水分在不同粒徑面絮之間發生了遷移;GMP含量增加,粒度增大,蛋白質聚合度增加,分子量分布增大。說明增加和面時間能夠促進面絮的團聚,形成顆粒與水分均勻的面團坯粒。但需要注意的是,在和面初期,大顆粒面絮GMP含量先下降后上升,后期則會發生解聚,說明大顆粒面絮更容易受到攪拌機械力作用而分散。和面時間的不同會導致不同粒級面絮品質的變化,因此,比起僅增加和面時間,對和面工藝進行分段優化更能改善面絮品質。面絮量化評價的難點是挖掘復雜多變的面絮體系的共性特征。對面絮進行宏觀狀態及內在品質的分析,有利于為制作面條時和面階段的劃分與面絮品質的有效控制提供依據。